Ngày: 31/12/2025.
Một nhóm nghiên cứu tại Đại học Khoa học Tokyo (TUS) đã xác định được một cơ chế cấu trúc mà theo đó việc thêm một lượng nhỏ scandium vào các điện cực âm oxit natri mangan dạng lớp giúp làm chậm quá trình xuống cấp thường làm giảm tuổi thọ của pin ion natri.
Hình ảnh: Malcolm Koo, Wikimedia Commons, CC BY 4.0Một nghiên cứu vật liệu mới từ Nhật Bản cho thấy việc thay thế scandium có chọn lọc trong oxit natri mangan dạng lớp có thể làm giảm sự biến dạng mạng tinh thể gây ra hiện tượng suy giảm dung lượng nhanh chóng ở cực âm của pin ion natri.
Nghiên cứu này tập trung vào natri mangan oxit dạng lớp (Na₂⁄₃MnO₂), một vật liệu catốt có dung lượng cao được nghiên cứu rộng rãi như một giải pháp thay thế chi phí thấp hơn cho các loại pin lithium-ion do sự dồi dào của natri. Mặc dù Na₂⁄₃MnO₂ mang lại hiệu suất ban đầu mạnh mẽ, nhưng nó bị hạn chế bởi sự suy giảm dung lượng nhanh chóng trong các chu kỳ sạc-xả lặp đi lặp lại.
Nghiên cứu này, do Giáo sư Shinichi Komaba thuộc Đại học Khoa học Tokyo dẫn đầu, xem xét việc thay thế một lượng nhỏ scandium tại các vị trí mangan ảnh hưởng như thế nào đến hai biến thể cấu trúc của vật liệu, được gọi là các dạng đa hình P2 và P′2. Sự suy giảm dung lượng ở các cực âm này chủ yếu do biến dạng Jahn-Teller liên quan đến sự thay đổi trạng thái oxy hóa của mangan trong quá trình chu kỳ sạc/xả, gây ra biến dạng cấu trúc và mất độ kết tinh theo thời gian.
Theo các nhà nghiên cứu, việc pha tạp scandium giúp cải thiện chọn lọc độ ổn định chu kỳ của dạng đa hình P′2, vốn thể hiện sự biến dạng Jahn-Teller tầm xa, mang tính hợp tác. Phân tích cấu trúc cho thấy Na₂⁄₃[Mn₁₋ₓScₓ]O₂ P′2 được biến đổi bằng scandium duy trì cấu trúc tinh thể của nó trong suốt quá trình chu kỳ, giảm kích thước hạt và ngăn chặn các phản ứng phụ với chất điện giải lỏng bằng cách tạo ra giao diện catốt-chất điện giải ổn định hơn.
Trong thử nghiệm bán tế bào, vật liệu P′2 với hàm lượng scandium 8% cho hiệu suất mạnh nhất, duy trì được tính toàn vẹn cấu trúc và dung lượng trong suốt quá trình chu kỳ hoạt động kéo dài. Chiến lược pha tạp tương tự không cải thiện được độ ổn định của dạng đa hình P2, cho thấy hiệu ứng này phụ thuộc vào sự hiện diện của biến dạng mạng tinh thể phối hợp chứ không chỉ đơn thuần là sự thay thế kim loại. Việc pha tạp với các cation khác, bao gồm ytterbium và nhôm, không cho kết quả tương đương.
Nhóm nghiên cứu cũng báo cáo về khả năng chống ẩm được cải thiện và những lợi ích bổ sung từ quá trình xử lý trước chu kỳ. Trong các thử nghiệm pin dạng đồng xu, cực âm P′2 pha tạp 8% scandium giữ lại khoảng 60% dung lượng sau 300 chu kỳ.
Bài báo “Tác động độc đáo của việc pha tạp Scandium lên hiệu suất điện cực của Na₂⁄₃MnO₂ loại P′2 và P2 ” gần đây đã được công bố trên tạp chí Advanced Materials . Bài báo mô tả chi tiết cơ chế mà scandium ổn định cấu trúc mạng tinh thể bị biến dạng mà không làm giảm hoạt tính điện hóa của mangan. Các phát hiện này gợi ý một hướng đi cho pin ion natri có tuổi thọ cao hơn, mặc dù các tác giả lưu ý rằng chi phí của scandium có thể hạn chế việc triển khai trên quy mô lớn, theo các nhà khoa học.
Nghiên cứu này được thực hiện bởi các nhà nghiên cứu tại Đại học Khoa học Tokyo và được hỗ trợ kinh phí từ Bộ Giáo dục, Văn hóa, Thể thao, Khoa học và Công nghệ Nhật Bản, Cơ quan Khoa học và Công nghệ Nhật Bản và Hiệp hội Xúc tiến Khoa học Nhật Bản.
Mọi thông tin tư vấn về điện mặt trời doanh nghiệp hay gia đình xin liên hệ:
Thông qua Messenger của MPSe
Điện thoại / Zalo: 0904 686 673
Youtube: https://www.youtube.com/@MaiPhuongSolar-MPSE/shorts
Tiktok: https://www.tiktok.com/@mpse27
Mai Phương Solar Energy – Giải pháp năng lượng sạch cho tương lai bền vững
